基于Solid65有限单元的鄢家冲水库渡槽应力分析

邹仕鑫

（武汉大学水利水电学院 武汉 430072）

1 前言

渡槽是输送渠道水流跨越河渠、道路、山冲、谷口等的架空输水建筑物，是渠系建筑物中应用最广的交叉建筑物之一，而钢筋混凝土结构是目前工业与民用建筑中最主要的结构型式，大、小型渡槽都采用钢筋混凝土构建。要模拟钢筋混凝土结构渡槽的受力机理及破坏过程，关键要合理地选择单元类型和混凝土的破坏准则。

2 Solid 65单元

Solid 65单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。它可以模拟混凝土中的加强钢筋（或玻璃纤维、型钢等）以及材料的拉裂和压溃现象。

2.1 使用方法

Solid65单元本身包含两部分：ⓐ与一般的8节点空间实体单元Sdid45相同的实体单元模型，但加入了混凝土的三维强度准则；ⓑ由弥散钢筋单元组成的整体式钢筋模型，它可以在三维空间的不同方向分别设定钢筋的位置、角度、配筋率等参数。

在实际应用中，一般需要为Sdid65单元提供以下数据：

a.实常数（real constants）。在实常数中给定Sdid65单元在三维空间各个方向的钢筋材料编号、位置、角度和配筋率。

b.材料模型（Material Model）。设定混凝土和钢筋材料的弹性模量、泊松比、密度。

c.数据表（Data Table）。给定钢筋和混凝土的本构关系；对于钢筋材料，一般需要给定一个应力应变关系的Data Table，例如双折线等强硬化或随动硬化模型等。而对于混凝土模型，则需要两个Data Table。一是本构关系的Data Table，用来定义混凝土的应力应变关系；二是Sdid65特有的Concrete Element Data，用于定义混凝土的强度准则，例如单向和多向拉压强度等。

2.2 混凝土与钢筋的组合

混凝土与钢筋组合是最常见的一种组合方式，一般说来，可供选择的方法有三种。

2.2.1 整体式模型

直接利用带筋的Solid65提供的实参数建模，其优点是建模方便，分析效率高；缺点是不适用于钢筋分布较不均匀的区域，且得到钢筋内力比较困难。主要用于有大量钢筋且钢筋分布较均匀的构件中，例如剪力墙或楼板结构。

2.2.2 分离式模型，位移协调

利用空间杆单元Link8或空间管单元Pipe20建立钢筋模型，与混凝土单元Solid65共用节点。其优点是建模比较方便，可以任意布置钢筋并可直观获得钢筋的内力。缺点是建模比整体式模型要复杂，需要考虑共用节点的位置，且容易出现应力集中拉坏混凝土的问题。

2.2.3 分离式模型，界面单元

前两种混凝土和钢筋组合方法假设钢筋和混凝土之间的位移完全协调，没有考虑钢筋和混凝土之间的滑移，而通过加入界面单元的方法，可以进一步提高分析的精度。同样是利用空间杆单元Link8或空间管单元Pipe20建立钢筋模型，不同的是混凝土单元和钢筋单元之间利用弹簧模型来建立连接。不过，由于一般钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土之间都有比较良好的锚固，钢筋和混凝土之间滑移带来的问题不是很严重，一般不必考虑。

3 算例分析

3.1 基本资料

鄢家冲水库位于湖北省红安县永河镇周垅村，集雨面积1.60km2，设计库容162万m3，有效库容132万 m3，防洪库容24万m3，死库容6万m3，设计灌溉面积371.33hm2，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、供水等综合利用的小（1）型水库。

鄢家冲水库渡槽为简支结构，全长22m，共2跨，单跨长11m，断面尺寸1.0m×0.6m，槽身为20cm厚的钢筋混凝土，槽底为20cm厚的钢筋混凝土。正常使用时，槽内水深0.5m。渡槽横断面图如图1所示。

3.2 建模

此次计算的主要目的是获得槽体应力分布，以及复核渡槽配筋承载能力是否满足要求，故此未将支墩纳入分析。建模时简化两端支座为简支约束，采用由节点建立单元，即从下而上的建模方法。利用上述的第二种建模方式，即“分离式模型，位移协调”，考虑到钢筋与混凝土的连接一般有良好的锚固，计算中不考虑钢筋与混凝土的滑移。采用空间杆单元Link8模拟钢筋，可以较好地模拟整体钢筋的分布，并采用ANSYS的二次开发语言APDL编制程序建模，可以方便地修改钢筋的位置以及数目，最后得到的模型共7260个单元、10890个节点，具体网络划分如图2、图3所示。

图2 渡槽有限元模型（修改前）

图3 渡槽有限元模型（修改后）

3.3 材料参数

渡槽槽体的材料为C30混凝土，密度2400kg/m3，弹性模量3.0×104N/mm2，泊松比0.2；钢筋采用2级，密度7800kg/m3，弹性模量 2.0×105N/mm2，采用 3 种不同截面的钢筋，面积分别为 314mm2、78.5mm2、28mm2。

3.4 计算结果分析

采用ansys10.0计算，在此次计算过程中，如采用图1所示的断面，在渡槽底板与边墙的连接部位应力较大，且这些地方很容易过早出现裂缝，若再进一步施加荷载，当裂缝发展超过混凝土一个单元范围时，计算就无法继续，很容易导致不收敛。因此，在底板和边墙连接部位增加斜面，并沿斜面配一层平行于斜面的钢筋，这样可以有效地缓解应力过大情况，也使裂缝发展得到遏制，使计算更容易收敛。修改后的渡槽横断面图如图4所示。

图4 渡槽横断面图（修改后）

由于solid65单元收敛比较困难，因此计算中关闭混凝土的压碎功能。另外，此次模拟的是实际工程的渡槽应力分析，荷载等参数已知，因此需要采用力加载模式求解，而此模式收敛比较困难，计算过程中不断调整子步数，并用自动荷载步二分法进行非线性静力分析，在混凝土开裂后适当调整收敛精度以使计算进行，所得结果见表 1、表2。

从表1可知，纵向最大位移在这4种工况基本相同，这与实际的x方向无荷载作用相符。竖向最大位移是出现在空槽工况下，这是因为过水后水平水压力的作用，使过水工况下的竖向位移较小。横向最大位移出现在过水工况断面修改前，修改后断面由于配有沿x方向的斜面侧向钢筋，所以横向位移要比修改前小很多。

由表2可知，空槽工况的应力远小于过水工况，与实际相符。过水工况下，断面修改前y方向应力比断面修改后约大40%，最大应力比修改后大10%左右，而在x、y方向应力相差不大，这说明断面修改后的应力明显小于修改前的断面，所以修改断面的方法是可取的。

表1 渡槽最大的位移 单位：mm

表2 渡 槽 应 力 单位：N/mm2

4 结论与建议

从此次计算中可以发现，对工程做出一些局部合理的修改可以带来很明显的效果，例如此次的断面修改，即不会增加很大的工程量，又达到了计算收敛、应力缓解的目的。但此次计算中还存在一些尚未考虑的地方，例如，地基未模拟，钢筋与混凝土连接模式的选择不一定适合于真实的工程情况，以及ansys提供的混凝土单元的一些不足之处，这些都需要不断的改进与完善。

1 王呼佳,陈洪军.ANSYS工程分析实例[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

2吕西林,金国芳,吴晓涵.钢筋混凝土结构非线性分析有限元理论与应用[M].上海:同济大学出版社,1997.

3郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

4邵岩,赵兰浩,李同春.考虑流固耦合的渡槽动力计算方法综述[J].人民黄河.2005,27（11）:55-56.

5徐建国,王博.渡槽结构动力分析性能的有限元分析[J].郑州工业大学学报.1999,20（2）:67-69.